高密度电法在耐火黏土采空区勘探中的应用

史江涛

(山西工程技术学院 地质与环境工程系,山西 阳泉 045000)

0 引言

近年来,黏土采空区塌陷诱发的工程质量问题时有发生,造成了巨大的财产损失,危及生命安全。研究如何解决勘察采空区的问题,具有重大的意义。就目前的采空区探测技术而言,在发达国家以地球物理探测为主,国内有关“高密度电法在采空区勘探应用”已见于较多文献报道,该项技术在采空区适用性比较强[1]。

本文以拟建的山西工程技术学院21#、22#两栋公寓楼为例,其下部是耐火黏土采空区,通过高密度电法勘探,并用RES2DINV反演软件对数据进行处理,结合钻孔资料,对数据进行解释并勾划出耐火黏土采空区的分布范围[2],为下一步对采空区进行处置,保证拟建筑物的安全提供基础性资料。同时,为使用高密度电法勘探的科研工作者在耐火黏土采空区的探测、解释等方面提供思路。

1 测区及工程概况

阳泉位于山西东部,处于中纬地带,四季分明,春秋短,夏冬长。夏季盛行东南风,春旱少雨;冬季盛行西北风,冬寒少雪,寒冷干燥。本区冬季温差较大,季节变化较为明显,具有典型的大陆季风气候特征。

拟建的山西工程技术学院21#、22#两栋公寓楼,位于学院内西北部,东南侧是8#学生公寓楼,南侧为学院路吕泉路;平顶层(3层)与南侧地面平台相连;西北侧为梯田空地;南侧为水塔公园,两栋公寓楼呈东西向一字排列,占地面积6 510 m2,总建筑面积15 000 m2(其中学生公寓13 128 m2)。拟建场地具有“黄土梁”地貌单元特征,地形呈台阶状,东高西低,地面标高介于744.77～751.61 m,物探测线场地整体呈东南高西北低的形态,南侧部分场地较为平整,整体而言,测区地表条件适宜开展物探工作。21#、22#公寓楼地貌卫星影像图见图1.

图1 拟建山西工程技术学院21#、22#公寓地貌卫星影像图Fig.1 Satellite image of No.21 apartment and No.22 apartments in Shanxi Institute of Engineering and Technology

2 测区地层及地球物理特征

2.1 地层岩性

依据《山西工程技术学院学生公寓楼岩土工程勘察报告》和已有相关地质资料,划分该场地地层由上至下分为10层,见表1.

表1 山西工程技术学院地层岩性特征Table 1 Characteristics of stratum lithology of Shanxi Institute of Engineering and Technology

根据岩土勘察报告可知,ZK5钻孔在距地表23.3～25.4 m位置发现为空洞,ZK4钻孔和ZK8钻孔分别在距地表24.0 m和25.3～27.0 m漏浆。另根据2004年《阳泉大学建设用地地质灾害勘察报告》资料显示,拟建公寓楼场地位于采空区区域,结合现场钻探漏浆及出现空洞现象,判定该场地局部存在采空区。

2.2 地球物理条件

电法勘探是以目标地层与各围岩层的物理性质差异为基础及解释依据,根据地层一般物理性质特征,当地层完整时,岩层视电阻率呈现均匀而连续的特征。当地层存在采空时,测线下方相应空间部位会形成电性异常,其特征是:有填充的采空区域形成相对中低阻异常,而没有填充的采空区域会形成相对高阻异常。场地第四系堆积物与下覆基岩存在明显的波阻抗及电阻率差异,为开展高密度电法勘探提供了前提条件[3]。本区物探工作勘查对象为耐火黏土采空区,根据工勘资料显示耐火黏土埋深在18～28 m.

3 工作原理及布置

3.1 工作原理

高密度电法勘探,其实质是直流电阻率测深剖面综合测量。将所有电极沿测线方向等间距布置好,由主机控制多路电极转换器。工作时,随着供电电极距AB逐渐加大,电流场作用的范围加深,因此,所测得相应视电阻率值的变化就反映了该点下方沿垂直方向上的电性变化情况。对于不同地质体,电流场分布会呈现不同,因此,在一定条件下,视电阻率的变化,能反映地层岩性和结构的变化[4]。

3.2 工作装置、仪器及参数

此次测量采用的是重庆精凡生产的EDGMD-1高密度电阻率测量系统,详见表2.

表2 高密度测量系统仪器参数Table 2 Parameters of the instrument with high density measurement system

根据目的、任务及地形的特殊性,勘探线布置尽量考虑纵向、横向布置测线,尽量不漏掉各个方向的采空及巷道,尽量与工勘剖面重合布置。因此,从实际工作条件出发,布设了8组勘探线,1—5组勘探线,由南向北从小到大编设,线距20～50 m,每条测线长度180 m,测点编号由西向东从小到大编设,点距为3 m;6—8组测线由西向东编设,线距20～30 m,每条测线长度180 m,测点编号由南向北从小到大编设,见图2.

图2 勘探线布置示意图Fig.2 Layout of the exploration lines

4 资料处理和分析解释

4.1 资料处理

本次采用RES2DINV高密度电阻率数据二维反演软件对数据进行处理,经过地形改正、突变点剔除、平滑处理和反演等步骤,完成资料处理[5]。

4.2 分析解释

探测资料的分析解释,是以各测线的视电阻率拟断面图为基础,同时考虑了实际地质情况及各种干扰因素进行综合分析解释[6]。

G1测线的剖面位于测区南部,见图3,东西走向,表层出露素填土及粉质黏土。视电阻率拟断面图的缓慢起伏变化,反映了基岩的起伏变化。从图中可以看出,测线正下方基岩电性分布均匀,反应下伏基岩层状分布均匀,无特殊地质构造及采空扰动。

图3 G1测线视电阻率拟断面图Fig.3 Apparent resistivity pseudo-section of line G1

G2测线的剖面位于测区中南部,见图4,东西走向,表层出露素填土及粉质黏土。在桩号110～120 m,埋深28 m左右,有一高阻闭合圈,且上覆为低阻的风化程度较高的砂岩、泥岩。结合ZK8钻孔在此位置漏浆,推断此处为耐火黏土采空异常。

图4 G2测线视电阻率拟断面图Fig.4 Apparent resistivity pseudo-section of line G2

G3测线的剖面位于测区中部,见图5,东西走向,在桩号50～60 m,埋深28 m左右,有一高阻闭合圈;桩号132～141 m,埋深28 m左右,有一高阻闭合圈;在桩号147～165 m,埋深18 m左右,有一高阻闭合圈。结合岩土工程勘察报告,推断此处为耐火黏土采空异常。

图5 G3测线视电阻率拟断面图Fig.5 Apparent resistivity pseudo-section of line G3

G4测线的剖面位于测区中部,见图6,东西走向,分析采空区测线视电阻率拟断面图特征,在桩号110～120 m,埋深20 m左右,有一高阻闭合圈,且上覆为低阻的风化程度较高的砂岩、泥岩。推断此处为耐火黏土采空异常。

图6 G4测线视电阻率拟断面图Fig.6 Apparent resistivity pseudo-section of line G4

G5测线的剖面位于测区北部,见图7,东西走向,在桩号118～124 m,埋深28 m左右,有一高阻闭合圈。结合钻孔资料,推断此处为耐火黏土采空异常。

图7 G5测线视电阻率拟断面图Fig.7 Apparent resistivity pseudo-section of line G5

G6测线的剖面位于测区中东部,见图8,南北走向,过钻孔ZK5和ZK10钻孔,根据钻孔资料,ZK5钻孔深度在23.3～25.4 m揭露空洞,异常桩号81～84 m.结合高密度电阻率拟断面图可知采空空洞为高阻闭合圈的特征;在桩号93～110 m,是一高阻闭合圈,推断此处为耐火黏土采空异常。

图8 G6测线视电阻率拟断面图Fig.8 Apparent resistivity pseudo-section of line G6

G7测线的剖面位于测区东部,见图9,南北走向,桩号在89～100 m,埋深22 m左右,有一高阻闭合圈。与ZK4钻孔揭露采空区位置一致,推断为耐火黏土采空异常。

图9 G7测线视电阻率拟断面图Fig.9 Apparent resistivity pseudo-section of line G7

G8测线的剖面位于测区东部,见图10,南北走向,桩号在45～54 m,72～81 m处,埋深20 m左右,有高阻闭合圈。结合岩土工程勘察资料,推断为耐火黏土采空异常。

图10 G8测线视电阻率拟断面图Fig.10 Apparent resistivity pseudo-section of line G8

4.3 综合分析

综合各测线异常特征,将每条测线异常位置统计汇总,见表3.

表3 高密度电法耐火黏土采空(破坏)异常位置汇总表Table 3 Summary of abnormal location of gob (failure) of high density electrical refractory clay

相同标高相邻测线的异常区划定为一个区域[7],见图11.在平面图上将相邻区域连接,形成分析平面图,根据高密度电法勘测共发现一层采空(破坏)区,耐火黏土采空(破坏)区异常深度在18～28 m,异常面积约2 072 m2.

图11 高密度电法推断耐火黏土采空区分析平面图Fig.11 Analysis plan of the goaf of refractory clay inferred by high density electrical method

5 结语

1)拟建山西工程技术学院21#、22#公寓,采用了高密度电法的物探手段,经过数据采集、处理、分析、解释,并结合收集的地质和钻孔资料,分析得出测区深度范围内有耐火黏土采空区的存在,并圈定了范围。耐火黏土采空区异常主要分布在拟建21#宿舍楼的中部、北部及拟建22#宿舍楼的东北及东南角。

2)高密度电法勘探具有探测速度快、精度高、成本低的优点,是值得在类似耐火黏土勘探中广泛使用的一种方法[8]。

3)高密度电法勘探有其局限性,由于存在体积效应,推断的采空位置、深度与实际可能存在偏差,使用时应予以注意[9]。

综上所述,在耐火黏土采空区勘探时,应先根据高密度电法勘探测线视电阻率拟断面图,结合已有钻探资料,推测出采空区分析平面图,清楚采空区的范围及深度,为下一步的治理提供基础。